TU Delft优化3D打印微架构植入物,骨重塑性能提高64%

3D打印动态
2022
05/31
16:18
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南极熊导读,3D打印技术每隔一段时间都会产生产生创新,因为通过优秀的设计,才能释放这项技术全部潜力。

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△代尔夫特理工大学的工程师提出了一种新的算法,可以优化3D打印骨科植入物

2022年5月31日,代尔夫特理工大学(TU Delft)的研究人员,他们最近发表了关于3D微架构植入物优化设计的最新研究。在这项研究中,他们宣称,突破了骨科植入物优化设计的界限。与传统的实体植入物相比,优化后的3D打印植入物,在骨重塑方面的性能可提高64.0%。

3D可打印微结构材料的最新进展,为开发高度定制的骨科植入物提供了新的可能性。植入物通常由全固体材料制成,但是,这种结构改变了周围骨组织的载荷传递,可能导致界面不稳定和骨吸收。

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△a)固体b)均匀晶格c)在局部骨重塑和Hoffman界面应力优化,异质晶格钛植入物的设计和性能

同时,为生产具有前所未有的几何复杂性的机械部件提供了机会。反过来,这种设计自由度使工程师能够设计出,性能大大优于传统工程设计的组件。

在这项工作中,研究人员提出了基于新的计算方法,来合成具有异质微架构的三维(3D)、患者特异性植入物。该方法可同时将负载引起的界面断裂,和假体周围骨重塑的风险降至最低,同时将功能和突破传统设计限制放在首要位置。

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△泊松比的三种类型。a)正b)零和c)负

首先,研究人员开发了一种新颖的参数化微架构,具有理想的功能属性和广泛的有效机械性能,包括正负泊松比。然后,他们提出了优化微架构参数空间配置的配方,以同时最大限度地降低负载引起的界面骨折和术后骨重塑的风险。

这种新的算法,适用于传统几何形状的3D钛髋关节植入物的设计。通过将计算机模拟出来的结果与传统的实体植入物对比。经过优化的3D微架构种植体,在骨重塑方面的性能提高了64.0%,界面骨折风险为13.2%。

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目前该研究还没有进行相关临床测试,仅限于在计算机模拟中取得了研究成果。该研究的意义在于,提出的优化策略,能够同时降低界面骨折的风险以及骨重塑(和再吸收)。同时,所提出的方法结合了通用的骨重塑功能和高效的解耦多尺度策略,能够以相对较低的计算成本准确捕获界面力学。

此外,还提出了一种广义立方反手性参数微架构,非常适合功能梯度结构设计,并能够实现广泛的机械性能。




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